冷噴涂中激波及粒子沉積過程研究.pdf

1、超音速冷噴涂是一種新型的表面涂層制備方法，具有諸多優(yōu)點，但冷噴涂技術(shù)作為一個新興技術(shù)，其理論尚不完善，噴涂質(zhì)量和效率尚待提高。氣體與金屬粉末粒子的兩相超音速流動和粒子在基體表面的沉積，是冷噴涂中兩個非常重要的過程。超音速激波直接影響粉末粒子在基體表面的沉積速度和噴涂效果，基體表面的沉積過程則不容易被直觀的觀測。為了解決這兩個問題，本文開展了以下研究：氣固兩相流動的音速與激波、Cu團簇的熔化及凝固過程的分子動力學(xué)模擬、團簇沉積過程的分子動

2、力學(xué)模擬、冷噴涂實驗制備涂層的掃描電子顯微鏡觀察。
　　 噴涂粉末粒子與氣體形成超音速流動，其音速及激波與單相氣體有較大差別。通過兩相平衡條件下的定熵音速，推得氣固兩相介質(zhì)的音速，并分析計算了不同氣體與固體粉末兩相介質(zhì)的音速。由于可壓縮性的變化，氣固兩相流的音速變得更小，壓力和體積含氣率對音速的影響較大。基于兩相音速建立了氣固兩相流激波模型，分析了相間滑移、相間熱交換、不同固相粉末和波前參數(shù)對激波的影響。相同流速下的氣固兩相流，

3、由于音速的減小導(dǎo)致馬赫數(shù)更大、激波更強，波后的流速更低，相間滑移和波前壓力對激波有一定影響，波前馬赫數(shù)和體積含氣率有較大影響。超音速冷噴涂是高馬赫數(shù)下的兩相流動，在基體表面前部將產(chǎn)生激波，使氣體流速大大降低，被氣體加速的較大團簇(如微米粒子)由于慣性作用仍將以較高速度撞擊基體形成涂層，而較小的團簇(如納米粒子)則由于與氣體分子作用強而降低速度大小和改變速度方向，不易形成穩(wěn)定的涂層。因此，對較小粒子的超音速冷噴涂，應(yīng)充分考慮激波的影響。<

4、br>　　 涂層形成過程中團簇與基體都可能出現(xiàn)熔化和凝固，本文應(yīng)用分子動力學(xué)模擬方法模擬了包含不同原子數(shù)的Cu團簇的熔化和凝固過程，通過結(jié)合勢能的變化、均方位移的變化、徑向分布函數(shù)的變化確定了不同大小的Cu團簇的熔點和凝固點溫度，并討論了冷卻速率對熔體凝固產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，Cu團簇熔點低于塊狀金屬熔點，而且隨原子數(shù)增加，團簇熔點溫度升高，但上升幅度逐漸變小，最后接近塊狀金屬的熔點，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。冷卻速率對結(jié)晶過程影響

5、很大，金屬熔體以較快速率(冷卻速率：1.6×1013K/s)冷卻時將得到非晶體，如果以較慢速率(冷卻速率：1.6×1012K/s)冷卻則可以得到晶體。
　　 由于團簇沉積過程難于觀測，論文采用分子動力學(xué)方法研究了Cu團簇在Cu基體上沉積過程，得到了沉積過程的所有細節(jié)。模擬了單個團簇在基體上沉積的過程及多個團簇在基體上沉積形成涂層的過程，通過對比碰撞前后團簇與基體的徑向分布函數(shù)及計算團簇原子間形成的鍵對的變化可知，Cu團簇沉積后可

6、以得到類似于基體結(jié)構(gòu)的FCC占主導(dǎo)的晶格結(jié)構(gòu)；通過計算基體溫度發(fā)現(xiàn)，團簇撞擊基體的過程中，基體的受撞擊影響區(qū)域可能有熔化現(xiàn)象產(chǎn)生，但基體的其余部位并沒有發(fā)生熔化，如Cu546以1100m/s撞向基體時，基體受影響區(qū)域的最高溫度達到1498K，但基體的其余區(qū)域的溫度還不到500K；通過界面局部最高溫度、有效接觸面積及扁平率的變化來判斷團簇是否與基體發(fā)生有效機械結(jié)合，此外，團簇和基體間還可能存在冶金結(jié)合；通過計算Pinter及團簇原子進入基

7、體的原子數(shù)兩項指標(biāo)研究了團簇入射速度、團簇和基體溫度、團簇大小及團簇及基體硬度對沉積效果的影響，研究發(fā)現(xiàn)，團簇入射速度對團簇與基體之間的結(jié)合強度影響較大，入射速度越大，結(jié)合強度越大，而且較大速度的團簇在基體上沉積后可較快地獲得與基體晶格結(jié)構(gòu)相近的沉積層；團簇或基體的溫度的升高可以提高團簇與基體之間的結(jié)合強度，但效果并不顯著；團簇大小對團簇與基體之間的結(jié)合強度影響較大，團簇越大，結(jié)合強度越大；團簇和基體的硬度也對沉積效果影響較大，如果基體

8、硬度過高，碰撞不能使基體發(fā)生足夠的變形，很難形成有效結(jié)合，當(dāng)基體硬度比較低時，硬度較高的團簇與之碰撞會產(chǎn)生晶體缺陷；通過計算團簇與基體間的勢能及表面粗糙度研究了團簇大小及速度對涂層質(zhì)量的影響，如果采用較大的團簇，可以提高涂層與基體的結(jié)合強度，但形成的涂層的表面較粗糙，如果團簇速度較大，形成的涂層與基體的結(jié)合強度也較大，而且涂層表面較光滑。
　　 為了驗證機理分析的結(jié)果，通過冷噴涂實驗在Al板上制備了Cu涂層。Cu顆粒與基體撞擊時

9、發(fā)生了劇烈的塑性變形，并且在撞擊瞬間其動能轉(zhuǎn)化為熱能，顆粒發(fā)生局部熔化，Cu涂層與基體之間主要為物理鍵合及金屬鍵合，結(jié)合強度很大，但涂層中存在細小孔洞。盡管模擬時為了計算方便采用了與噴涂粒子相同的基體材料，與實驗時有所差別，但試驗觀察到的現(xiàn)象仍驗證了分子動力學(xué)模擬所得到的部分結(jié)論。
　　 本文的創(chuàng)新之處：
　　 ①將氣固兩相流超音速激波用于冷噴涂的流動分析，揭示了激波對冷噴涂影響的機理，對較小團簇的超音速冷噴涂影響較大，